宝钢转炉滚筒渣用于混凝土的安定性分析.pdf

文章编 号：1 0 0 7 — 0 4 6 X ( 2 0 1 3 ) 0 4 - 0 0 3 4 - 0 4 固废利用 宝钢转炉滚筒渣用于混凝土的安定性分析 Th e An a l y s i s o f S t a bi l i t y o f Ba o s t e e l Co n v e r t e r Ro l l e r S t e e l S l a g f o r Co n c r e t e 徐兵t ，於林锋： ( 1 ． 宝钢发展有限公司，上海 2 0 1 9 9 9 ；2 ， 上海市建筑科学研究院( 集团) 有限公司，上海 2 0 0 0 3 2 ) 摘 要 ： 宝钢转 炉滚 筒渣细 集料 1 0 0％代砂 用 于混凝 土存 在安 定性 问题 ，须采 用压 蒸安 定分析确 定合 理掺 量。试 验 表明：合理控制宝钢转炉滚筒渣细集料掺量用于混凝土，体积稳定性 良好且有利于混凝土力学性能。研 究 发现现有压蒸安定分析方法并不贴近钢渣应用于工程混凝土实际状 态，钢渣应用于混凝土中的压蒸安定性 分析方法和评价标准需进一步研 究。 关键 词 ： 转炉 滚筒渣 ；混凝 土 ；安 定性 中图 分 类 号 ：T U5 2 8 ． 2 文献 标 志 码 ：A Ab s t r a c t ： T h e r e e x i s t e d i n s t a b i l i t y p r o b l e m i f Ba o s t e e l c o n v e r t e r s l a g a s fin e a g g r e g a t e wo u l d s u b s t i t u t e 1 0 0 ％ s a n d i n c o n c r e t e ． I t s r e a s o n a b l e d o s a g e s h o u l d b e d e t e r mi n e d b y p r e s s u r e s t e a m s t a b i l i t y a n a l y s i s ． T h e t e s t s h o we d t h a t c o n t r o l l i n g r e a s o n a b l y d o s a g e o f b a o s t e e l c o n v e r t e r r o l l e r s t e e l s l a g a s fi n e a g g r e g a t e i n c o n c r e t e c o u l d i mp r o v e me c h a n i c a l p r o p e r t i e s o f c o n c r e t e wi t h g o o d v o l u me s t a b i l i t y ． Th e s t u d y f o u n d t h a t e x i s t i n g p r e s s u r e s t e a m s t a b i l i t y a n a l y s i s me t h o d wa s n o t c l o s e t o a c t u a l s t a t e o f s t e e l s l a g f o r e n g i n e e r i n g c o n c r e t e ． T h e p r e s s u r e s t e a m s t a b i l i t y a n a l y s i s me t h o d a n d e v a l u a t i o n s t a n d a r d o f s t e e l s l a g f o r c o n c r e t e n e e d f u r t he r s t ud y． Ke y wo r d s：c o n v e r t e r r o l l e r s t e e l s l a g；c o n c r e t e；s t a b i l i t y a n a l y s i s 0 前言 宝钢一期建设时从新 日 铁引进浅盘水淬渣处理工艺。 由于浅盘法处理时钢渣要经过 3次水冷 ．蒸汽产生量较 大，对厂房和设备有腐蚀作用，且浅盘消耗量大，运行 成本高，浅盘水淬渣处理的钢渣 f — C a O含量较高 ( 平均 含量1 0 ％)，粒径较大，影响了浅盘水淬钢渣的应用范 ，因此宝钢在 2 0世纪 9 0年代购买专利技术并致力 于改进完善滚筒渣处理技术以替代浅盘水淬渣处理工艺。 经过近十五年的努力，宝钢成功开发了第四代滚筒渣处 理装备。该工艺主要是将液态钢渣 自转炉倒入渣罐后 ， 经渣罐车运输至渣处理场，用吊车将渣罐运到滚筒装置 的进渣流槽顶上，并以一定速度倒入滚筒装置内，液态 钢渣在滚筒内同时完成冷却、固化、破碎及粒钢分离后， 经板式输送机排出到渣仓内，钢渣由渣仓卸料至卡车运 输 厂利用。 近十年来 ，钢渣应用于混凝土成为我国钢渣资源化 利用的热点 ，其中钢渣微粉在混凝土中的应用已纳入 3 4 COAL ASH 4 ／ 2 01 3 J G J 5 5 —2 0 1 1《 普通混凝土配合比设计规程》。我国金 强⋯、白敏l 2 1 、涂文懋l 3 1 等对钢渣集料应用于混凝土研究 发现钢渣集料有助于增强混凝土界面机械咬合力提高混 凝土强度、耐磨性和耐久性能。安定性是制约钢渣大规 模应用于混凝土等建材领域的关键问题 ，刘建生【 4 ] 、朱 书景【5 ] 等关注了钢渣应用时安定性问题并进行了试验研究， 研究表明宜采用压蒸安定性方法判断钢渣体积安定性。 转炉滚筒渣是 目前宝钢主要渣种 ，f — C a O含量也 降至 5 ％左右 ，粒度范围在0 —1 5 m m，其中0 ～5 mm 粒 级占8 0％以上，只需要简单的磁选筛分就能得到性能良 好的0 — 5 m m 粒级钢渣细集料。这为宝钢转炉滚筒渣细集 料应用于混凝土提供了良好的条件。因此，需要对转炉 滚筒渣应用于混凝土做出安定性评价。 l 转炉滚筒渣细集料性能分析 转炉滚筒渣经磁选、筛选所得钢渣细集料 ( 0 — 5 m m) 基本性能见表 l 。钢渣砂中 C a O和铁氧化物含量高，两 者占6 0 ％以上，S i O ： 含量约 1 0 ％，详见表 2 。由表 2可 知，这和天然石英砂以 S i O 为主要成分的特点区别较大。 钢渣的放射性比活度满足标准 I R a -<1 ． 0和 I r ≤1 ． 0的要 求，作为主体建筑材料使用是安全的，详见表 3 。 表 1 转炉滚筒渣细集料基本性能 组成S i O 2 A l2 o 】F e O C a O M g O S Mn O P 2 0 5 M ． F e f - C a O 检测值 1 0 ． I 1 ． 2 0 1 2 ． 3 0 4 1 ． 2 8 1 1 ． 1 9 O ． 0 4 6 3 ． 0 5 1 ．6 0 0 ．6 5 5 ． 0 5 表 3 转炉滚筒渣细集料放射性检测结果 I R a( 内照射指数) I r( 外照射指数) 2 转炉滚筒渣细集料安定性分析 按照 G B ／ T 2 4 1 7 5 —2 0 0 9《 钢渣稳定性试验方法》对 转炉滚筒渣细集料进行压蒸粉化率检测，检测值见表 4 。 表 4 转炉滚筒渣细集料压蒸粉化率 样品名称 压蒸粉化率／ ％ 转炉滚筒渣细集料 5 ．2 对比YB ／ T 4 2 0 1 --2 0 0 9《 普通预拌砂浆用钢渣砂 》 中要求钢渣砂压蒸粉化率≤5 ． 9 ％，转炉滚筒渣细集料安 定性符合预拌砂浆用钢渣砂标准。 按照 G B ／ T 2 4 7 6 3 --2 0 0 9《 泡沫混凝土砌块用钢渣》 标准，将钢渣砂筛分成 4 ． 7 5 2 ． 3 6 、2 ． 3 6 1 ． 1 8 、1 ． 1 8 0 ． 6 O 、0 ． 6 0 ～ 0 ． 3 0 、0 ． 3 0 — 0 ． 1 5五档，按照标准规定的比 例取各档砂，成型制作 2 5 mm 2 5 m m2 8 0 fi l m的试 件，并在 2 ． 0 MP a 下测试压蒸前后试件的膨胀率。压蒸试 验结束后，钢渣砂制成的三条试件均已裂成碎块。这表 明以 l 0 0 ％转炉滚筒渣细集料作为混凝土砌块集料时易 引发体积稳定性问题。 但水泥混凝土中细集料只是作为混凝土配料的一部 分，因此需要进行转炉滚筒渣细集料用于混凝土的安定 性试验研究。 3 转炉滚筒渣细集料应用于混凝土时的安定性 分析 3 ． 1 分析方法 参照 Y B ／ T 4 2 2 8 —2 0 1 0《 混凝土多孔砖和路面砖用 钢渣》中钢渣集料安定性测定方法，采用两种方法研究 了钢渣砂单独用于混凝土时的安定性：方法一是按照水 泥 ： 砂 ： 水= 4 5 0： 1 3 5 0： 2 1 2的比例 ( 普通砂用胶砂试 验用标准砂 )，转炉滚筒渣细集料分别以 1 O ％、2 0 ％、 3 0 ％、4 0 ％、5 0 ％比例替代标准砂，成型 2 5 m m 2 5 ra m 2 8 0 m m的试件 ，经 2 ． O MP a 压力压蒸后测试压蒸安定 性。方法二是按照胶凝材料 ( 由6 0 ％普硅酸水泥、2 0 ％ 矿粉和2 0 ％I I 级粉煤灰组成 )： 砂 ： 石 ： 水= 3 6 0： 7 5 0： 1 0 5 0： 1 8 0的比例 ( 普通砂用胶砂试验用标准砂，石子 为经过筛分仅保留 5 —1 O m m颗粒的碎石 )，转炉滚筒 渣细集料分别以 0 ％、2 0 ％、3 0 ％、4 0 ％、5 0 ％ 比例替 代标准砂，成型 2 5 m m 2 5 m m 2 8 0 m m的试件，经 2 0 MP a压力压蒸后测试压蒸安定性。试验具体配比见表 5 表 5 压蒸安定性试验配合 比 3 ． 2 试验结果分析 按方法一、二所得压蒸安定性试验结果见表 6 、表 7 、图 1 。 表 6 转炉滚筒渣细集料压蒸安定性试验结果 ( 方法一 j 4 ／ 2 0 1 3 粉煤灰 3 5 表 7 转炉钢渣砂压蒸安定性试验结果 ( 方法二 ) 注：压蒸膨胀率为试验结束后未断裂试件膨胀率的平均值。 铡渣 代 砂 翠／ ％ 图 1 试件膨胀率与钢渣代砂率关系曲线 对试验结果进行综合分析可知以下 6点： ( 1 ) 在方法一条件下，转炉滚筒渣细集料掺量 ≥ 4 0 ％时试件存在安定性不良危险。 ( 2) 在相同的转炉滚筒渣代砂比率下，压蒸安定性 方法一与方法二的试验结果有明显 区别 ，方法一测得的 试件压蒸膨胀率高于方法二，且试件的破损程度也较方 法二严重。这与两种方法中钢渣集料占整个干物料比例 的差别有直接相关，如在钢渣代砂率为 5 0 ％时，方法一 中钢渣占整个干料比例为 4 2 ％，远高于方法二的 2 0 ％。 ( 3 ) 从安定性与钢渣掺量关联来看，方法一与方法 二的趋势是一致的：方法一中，随着钢渣砂掺量的提高， 试件的压蒸膨胀率不同程度增大 ，试件的破损情况也越 来越严重；方法二中，随着钢渣砂掺量的提高，试件压 蒸膨胀率虽基本没有变化，但破损程度却出现递增趋势。 ( 4 )从钢渣适： 直的极限掺量来看，方法一与方法二 的结果有较大差别：方法一表明转炉滚筒渣细集料掺量 在 4 0 ％ 时试件已有潜在安定性不 良危险 ，因此该方法 条件下转炉钢渣砂掺量应控制在 4 0 ％ 以下；而方法二 表明转炉钢渣砂掺量在 5 0 ％时试件存在潜在安定性不 良危险，因此该方法条件下转炉钢渣砂掺量应控制在 5 0 ％ 以下 。 ( 5) 总体来看 ．方法二与方法一相 比更贴近工程用 混凝土实际状态。因此 ，方法二评定钢渣应用于混凝土 时的安定性更为合理，因此转炉滚筒渣细集料应用于混 3 6 COA三 ASH 4 ／ 2 01 3 凝 土时代砂量应不超过 5 0 ％。 ( 6 )根据 G B ／ T 2 4 7 6 3 --2 0 0 9《 泡沫混凝土砌块用 钢渣》、G B T 2 4 7 6 4 --2 0 0 9《 外墙外保温抹面砂浆和粘 结砂浆用钢渣砂》和 Y B ／ T 4 2 2 8 —2 0 1 0《 混凝土多孑 L 砖 和路面砖用钢渣》等标准，压蒸安定性试件截面尺寸仅 为2 5 m m2 5 mm( 参照 G B ／ T 7 5 0 《 水泥压蒸安定性试 验方法》)，压蒸安定性评价方法为 “ 试件完整且压蒸 膨胀率≤0 ． 8 0 ％，为体积安定性合格 ，反之为不合格”。 但是，混凝土截面尺寸一般远大于 2 5 ra m 2 5 mm，且压 蒸试验结果表明所有的试件只要没有断裂，其膨胀率都 没有超过 0 ． 1 0 ％，故钢渣用于混凝土中的安定性评价标 准需进一步研究。 3 ．3 验证试验 鉴于现有标准压蒸安定性试件截面尺寸仅为 2 5 ram 2 5 m m，考 虑到混凝土尺寸 一般远大于此 尺寸范 围 ， 因此进行验证对比试验，按常用 C 3 0普通混凝土配合比 作为基准混凝土，利用宝钢转炉细集料代 4 5 ％砂制作对 比混凝土试块 ( 1 0 0 in m1 0 0 m m1 0 0 fi l m)，并与基 准混凝土进行力学性能对比检测，详见表 8 。 由于压蒸釜试件笼尺寸限制，对养护 2 8 d 后对比混 凝土试块切除 3 0 m m厚度形成 1 0 0 m lT I 1 0 0 iT l m 7 0 m m 尺寸进行压燕 ( 2 ． 0 、 0 。 0 5 M P a ，3 h ) ，2 组试块 ( 共 4块 ) 均完好 。 表 8 验证试验 力学性能 从表 8可以看出，对比基准混凝土，利用宝钢转炉 滚筒渣细集料代 4 5 ％砂配制的对比混凝士 2 8 d抗压强 度提高 7 ． 1 ％，2 8 d抗折强度提高 8 ％，可见宝钢转炉滚 筒渣细集料有利于混凝土的力学性能增长。在压蒸试验 中也发现对比混凝土体积稳定性良好，表明宝钢转炉滚 筒渣细集料在一定合理掺量内可用于混凝土配制。 4 结 论 ( 1 ) 宝钢转炉滚筒渣细集料 1 0 0 ％代砂用于混凝土 存在安定性问题，应采用压蒸安定分析确定合理掺量。 ( 下转第4 3 页) O ．5 0 ．4 皿 旺 ll 托 0 ．3 枉 匣 髫0 ．2 皿 0 ． 1 0 咖 1 抽 拯 匣 撅 丑 皿 3 结 论 0 ． 4 5 1 O l 5 2 O 2 5 3 O 3 5 深度／ mm 深度／ mm ( a) 3 0 ％应力比的弯曲荷载 5 l 0 l 5 2 O 2 5 3 0 3 5 深度／ m m ( b)5 0 ％应力比的弯曲荷载 图 6 受荷 C 3 0 混凝土在不同腐蚀溶液中的氯离子浓度分布 ( 1 ) 混凝土表层氯离子含量及氯离子传输距离随着弯 曲荷载应力比增加而逐渐增加，但随应力比增加，其氯离 子升高幅度逐渐降低。 ( 2 ) 混凝土受拉区的氯离子浓度与氯离子传输距离均 大于受压区和非受力区，其中受压区和非受力区相近。 ( 3 ) 腐蚀溶液中硫酸根离子存在延缓了混凝土中氯离 子传输，但随弯曲荷载应力比增加，硫酸根离子对氯离子 传输的抑制作用减弱。 参考文献 [ 1 】张玉敏， 黄博生， 高蕊． 海水侵蚀环境下混凝土耐久性的研究[ J ] ． 四川 建筑科技研究院， 2 0 0 4 ， 3 0 ( 4 ) ： 9 0 ． 9 2 ． [ 2 】余红发， 孙伟， 李美丹． 混凝土在化学腐蚀和冻融循环作用下的强度变 化[ J ] ． 沈阳建筑大学学报， 2 0 0 6 ， 2 2 ( 4 ) ： 5 8 8 ． 5 9 1 ． [ 3 】姬永生， 袁迎曙． 干湿循环作用下氯离子在混凝土中寝室过程分析[ J ] ． 工业建筑， 2 0 0 6 ( 1 2 ) ： 1 6 - 2 3 ． [ 4 】过镇海 混凝土的强度和变形【 M】 北京： 清华大学出版社， 1 9 9 7 ． [ 5 】F R AN C OI S R，MAS O J C ． E f f e c t o f d a ma g e i n r e i n f o r c e d c o n c r e t e O il c a r b o n a t i o n o r c h l o r i d e p e n e t r a t i o n [ J ] ． C e me mt Co n c r R e s l 9 8 8 ， 1 8 ( 6 ) 9 6 1 - 9 7 0 ． 【 6 ]何世钦， 贡金鑫． 弯曲荷载作用下对混凝土中氯离子扩散的影响【 J ] ． 建筑材料学报， 2 0 0 5 ， 8 ( 2 ) ： 1 3 4 ． 1 3 8 ． [ 7 ]金祖权 伟，张云升， 等． 混凝土在硫酸盐、氯盐溶液中的损伤过程[ J ] ． 硅酸盐学报， 2 0 0 6 ， 3 4 ( 5 ) ： 6 3 0 ． 6 3 5 ． 作者简介：张慧( 1 9 8 8 一) ， 女， 硕士研究生 收稿 日期： 2 0 1 2年 1 2 月 1 7日 ( 上接第 3 6页) ( 2) 合理控制宝钢转炉滚筒渣细集料掺量用于混凝 土，体积稳定性良好且有利于混凝土力学性能。 ( 3) 现有压蒸安定分析方法并不贴近钢渣应用于工 程混凝土实际状态，钢渣应用于混凝土中的压蒸安定性 方法和评价标准需进一步研究。 参考文献 [ 1 】金强， 贺鸿 珠， 杨刚， 等． 宝钢钢渣在混凝土材料 中资源 化应用技 术研究【 J ] _ 宝钢技 术， 2 0 1 0 ( 3 ) ： 1 9 ． 2 2 ． [ 2 】白敏， 尚建丽， 张松榆， 等． 钢渣替代粗集料配制混凝土的试验研究【 J 】 ． 混凝土， 2 0 0 5 ( 1 1 ) ： 6 2 ． 6 4 ． [ 3 ] 涂文懋 ，魏茂． 钢渣显微构造和特性及其在混凝土 中的应用研究 [ J ] ． 混凝土， 2 0 0 7 ( 1 1 ) ： 7 7 ． 7 9 ． 【 4 】刘建生 ，顾文飞，徐莉， 等． 转炉滚筒渣在商品干粉砂浆中应用技 术研究[ J ] ． 新型建筑材料， 2 0 0 9 ( 2 ) ： 5 3 ． 5 6 ． [ 5 】 朱书景，秦莹． 钢渣细集料安定性测定方法研究[ J ] ． 武钢技术， 2 0 0 9 ( 8 1 ： 1 2 ． 1 4 ． 作者简介： 徐兵( 1 9 7 8 一) ， 男， 2 0 0 0 年毕业于同济大学材料科学与工程学 院， 工程师， 现从事钢铁工业固废综合利用研发工作． 通信地址： 上海市宝山 区 铁力路2 4 6 8 号甲四楼l 1 5 室． E ． m a i l ： b a o s t e e l x b @ s i n a ． c o m 收稿日期： 2 0 1 2年 1 2月 l 9日 4 ／ 2 0 1 3 粉煤灰 4 3 6 5 4 3 2 l 0 O O O O O O 删姐 艇 丑皿 4 3 2 l 0 叭 0 鋈唰姐 褪 忸皿